层状岩层裂纹饱和现象的数值模拟研究

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层状岩层的裂纹饱和现象是自然界一种非常普遍的现象,同时也是地质工程界和采矿工程界的一个热点问题。由于岩层的裂纹饱和现象是地质活动在非常复杂的条件下长期演变的结果,所以很难在实验室进行研究和重现。对于岩层裂纹饱和现象的研究,绝大多少的研究工作者仅停留在对现场测得数据的分析上或者一些不完善的理论假说上。本文基于有限元程序对层状岩层的裂纹饱和现象进行分析,并得出了裂纹从产生到饱和的过程,进一步分析了裂纹的产生和扩展规律,主要内容如下: 1.介绍了地质工程中存在的层状岩层的裂纹饱和现象;概述了国内外层状岩层裂纹饱和现象的研究现状。 2.应用有限元计算软件,建立一个三层的层状岩层的模型,首先在模型的中间岩层中引入四条裂纹,通过改变裂纹的间距来观察相邻裂纹之间的应力分布随裂纹间距的变化而变化的情况。研究发现相邻裂纹之间的应力分布随裂纹间距的不断减小经历了一个从拉应力状态到压应力状态的变化过程。相邻裂纹之间的应力状态的转变解释了层状岩层产生裂纹饱和状态的原因。通过非均匀性的引入,研究了岩层的非均匀性对岩层中应力分布的影响。数值模拟的结果再现了层状岩层从裂纹产生到裂纹饱和的全过程;并给出了裂纹的产生、扩展规律。 3.改变模型的边界条件,发现层状模型在垂直方向上受到了压应力作用下,相邻裂纹之间的应力分布同样经历了一个从拉应力状态到压应力状态的转变过程;相应地得到了层状岩层模型在垂直受压条件的裂纹饱和现象。由于在多数情况下岩层是处于上覆岩层的压应力状态下的,所以这个结果使得我们的研究工作更具有普遍意义。 4.改变模型的层数,研究裸露于地表的层状岩层的裂纹饱和现象。发现在两层模型中相邻裂纹之间靠近上表层的区域,水平方向的拉应力分布经历了一个从拉应力状态到压应力状态的转变。这种相邻裂纹之间的应力状态转变,解释了裸露于地表的层状岩层裂纹饱和现象。同样地,利用数值方法,给出了两层模型的表层裂纹饱和过程并分析得到了裂纹的产生和扩展规律。
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